展望量子与超算的融合发展

【走进实验室】

◎本报驻德国记者 李 山

位于慕尼黑附近的巴伐利亚科学院莱布尼茨计算中心（LRZ）是德国最著名的超算中心之一。作为德国高斯超算中心的重要组成部分，LRZ与联想和英特尔合作的超级计算机SuperMUC-NG曾在2019年全球高性能计算TOP500榜单中排名第9。现在，LRZ致力于用量子处理器作为超算的加速器，推动前沿的量子—经典混合计算架构的发展。

近日，科技日报记者应邀走访了莱布尼茨计算中心。

超算为科研提供强大助力

“成立61年来LRZ始终致力于向德国乃至欧洲大陆的科学研究及学术界专业人士提供高性能计算资源。”莱布尼茨计算中心副主任赫尔穆特·莱瑟教授向记者介绍说。LRZ是慕尼黑当地的大学和科研机构，特别是慕尼黑工大和慕尼黑大学的中央IT服务提供商，服务范围包括12万名大学生、27000多名雇员和1900多位教授。

莱瑟谈道，LRZ可为用户提供横跨天体物理、流体力学、生命科学等各种复杂领域的科学研究支持。其服务包括高性能计算、虚拟现实和可视化、量子计算、人工智能和大数据等。LRZ引以为傲的研究成果包括完成影响巨大的苏门答腊地震和海啸的模拟。作为欧洲高级计算合作伙伴关系计划的成员，其任务不仅是管理指数级的海量数据，还能快速处理和分析数据，加快科学研究的进展。

以LRZ很有特色的虚拟现实和可视化中心为例。分辨率超过820万像素的3D Powerwall可用于复杂模型的分析；5面投影的CAVE则可模拟环境和3D模型创造一个虚拟空间，使用者在其中可获得完全的沉浸感。据莱瑟介绍，近10年来，该中心完成了大约150个相关的项目，包括探索湍流如何塑造星际介质，从而帮助恒星和行星的形成；人体动脉和静脉中的血液流动的模拟；以及巴伐利亚地质历史或水文学的虚拟现实应用等。

联想带来高温水冷技术

带领记者参观LRZ超级计算机等重要设施的过程中，莱瑟进一步介绍了超算系统 SuperMUC-NG的情况。2017年，联想联合英特尔向LRZ交付了拥有311040颗内核的超算系统，为计算中心提供了强大的实测峰值19.5PFlop/s的计算能力。2021年开始，三方继续开展第二阶段合作。LRZ选择了带有水冷技术的联想NeXtScale System M5高密度服务器，配备3072个联想NeXtScale nx360 M5 WCT计算节点。预计第二阶段的计算节点性能将达到第一阶段的4倍。

莱瑟特别谈道了联想提供的温水水冷技术。SuperMUC-NG使用45℃的温水进行冷却。研究人员为此开发了一个单独的冷却回路，通过不使用任何额外的能源来降低水温，可以进一步降低能源消耗。莱瑟强调说：“通过这样的水冷技术，我们可降低数据中心整体能耗效率至1.1以下，并实现余热再利用。”联想提供的温水水冷技术解决方案，可去除计算系统中约90%的热量，相较于传统的风冷技术节能约35%。同时，系统的余热还能在冬季为办公室供暖，使能源效率得到进一步提高。

谈到LRZ未来的发展，莱瑟说：“LRZ正在进行下一台超级计算机的准备工作。新系统将通过创新合作伙伴关系创建。目前联想已成为被选中的两家公司之一。”LRZ计划在未来10年内推出比SuperMUC-NG强大5—10倍的超大规模系统ExaMUC。初步入选的两家企业正与LRZ一起开发和优化原型。到2023年底，哪家公司最终为LRZ建造下一台超级计算机将尘埃落定。除了国际环境和节能之外，与量子计算和人工智能的结合优势或许也是LRZ重要的考量因素。

开发量子—经典混合计算架构

莱瑟说：“目前的量子计算机适用于解决非常特定类别的问题。但是，它并不适合所有问题。解决的办法是将量子计算机集成到超级计算机中，并自动判断这部分问题是否适合使用量子计算机。如果适合就将这部分问题发送给量子计算机；如果不适合，就把它们发送给经典的超级计算机。也就是说，长期目标是使用量子计算机作为超级计算机的加速组件。”此外，量子与经典混合的计算架构还有望解决目前量子处理器仍然存在的噪声、退相干等难题。通过云服务，超算中心也可更好地为用户提供量子计算服务。

2021年成立量子集成中心后，LRZ陆续获得了Atos公司提供的量子学习机，以及芬兰IQM公司提供的首批3个量子处理器和一套冷却装置。LRZ计划先实现数字模拟量子计算机，然后将20个量子比特的量子计算机集成到下一代超级计算机中，到2026年将其中运行的量子处理器的大小增加到100个量子比特。莱瑟说：“目前我们还没有20个量子比特的量子计算机，有的是5个量子比特的量子计算机。我们会继续建造20个量子比特、50个量子比特，然后是100个量子比特的量子计算机。软件方面，我们目前正在简化和优化量子编程框架软件。”

至于什么时候可使用这样的耦合系统？莱瑟坦言：“这很难说。乐观者相信可在5年内。但我想这不会在未来5年内发生。我认为在15到20年之内能将量子计算机自动集成到超级计算机中。”一旦量子计算机可由超级计算机控制，将向实用性迈出重要一步，并且可以构建和配置额外的组件或软件。LRZ及其研究合作伙伴期待着超级计算的下一个重大飞跃。